有轨电车混合动力技术的现代应用

（1）混合动力有轨电车复合电源系统建模 根据列车动力性能的需求，取动力电池组的设计容量为40A·h，额定电压480V。电池的端电压可以描述为

式中 E——电池端电压，V；

E₀——电池的额定电压，V；

K——极化电压，V；

Q——电池额定容量，A·h；

A——充满电时的电池电压，V；

B——额定放电电流倍率；

it——电流对时间的积分，即电池释放的电量（A·h）。

通过选取适当的参数，得到额定电流3C（120A）的放电曲线，以及不同电流大小的放电曲线，见图5-35。该特性曲线与苏州星恒公司提供特性曲线基本吻合，验证了选用的电池模型是恰当的、可靠的。

图5-35 动力电池组放电特性仿真曲线

图5-36 超级电容组SOE与电压对应关系

由此给定超级电容的参数C=165F，U=480V画出图5-36所示的超级电容的SOE与电压对应关系曲线。可以看出，超级电容电压下降50%时，60%以上的总能量已经得到应用。

（2）混合动力有轨电车双向DC/DC变流器建模 由于接触网的额定电压为直流750V，且接触网电能容量远大于混合动力系统的电能容量。因此在仿真分析时，假设接触网为理想直流电源，即网压恒定750V，容量无限大。基于此，当接触网工作状态正常时，车载电源充电只需调整DC/DC变流器高压侧期望电压，使其低于750V，便可进行充电，并且充电造成的目前功率消耗不影响列车的正常工作。

双向DC/DC变流器仿真模型模块由双向DC/DC变流器电路和双闭环控制器两个子功能模块组成，如图5-37所示。

利用单相二桥臂的桥式电路（图5-38中虚线标注部分）和LC滤波电路（图5-38中实线标注部分）组合，组成双向BOOST/BUCK电路。电路的左端为高压端，与直流母线直接并联；右端为低压端，与动力电池组或者超级电容组相连。图5-38中的“Duty Cycle”是桥式电路上下桥臂的开关信号，共有两个。为了避免短路，上下桥臂的开关信号在逻辑上互相“取反”。

双向DC/DC变流器为双闭环结构，如图5-39所示。外环为电压环（虚线标记），采集DC/DC变流器高压侧（直流母线）电压信号为电压环反馈信号。令该信号与期望电压信号做差，偏差值通过第一个PI环节进行调节，其输出作为内环的输入信号，可看期望电流。内环为电流环（实线标记），采集DC/DC变流器高压侧输出电流信号为反馈信号，与期望电流做差，偏差值通过第二个PI环节进行调节，调整参数令其输出的范围在（-1，+1）内。为了使占空比值转换为PWM信号，进一步对内环的输出进行坐标平移，使其输出范围在（0，+1）之间。将其看作是上桥臂的逻辑开关信号，则对其取“反”，得到下桥臂的开关信号。

图5-37 双向DC/DC仿真结构图

图5-38 双向DC/DC电路仿真模块

图5-39 双闭环控制器仿真模型

可以看出，双闭环控制结构的DC/DC变流器比一般的开关电源多了电流“内环”，其作用在于能够对期望电流的范围进行调节，从而达到功率限制的目的。“UpLimitIbat”与“LowLimitIbat”分别是参考电流“Iref”的上下界，用来限制电源（电池或电容）的输出电流大小。

根据LC滤波电路参数的分析和选取方法，取DC/DC变流器的LC滤波电路参数为L=0.3×10^-3H，C=3.5×10^-4H。控制器内环PI调节器参数为K_p=0.005，K_i=0.1；外环PI调节器参数为K_p=10，K_i=100。

图5-40和图5-41的计算结果表明了调节器参数的选取是合理的。图5-40为DC/DC变流器电路控制器的外环电压对比图，虚线为参考电压，实线为实际母线电压。在0s至2.5s时间段内，电网正常工作，因此母线电压稳定在750V，而DC/DC变流器参考电压指令值为740V。此时，DC/DC变流器工作在BUCK模式下，即给电源充电。在2.5s时，电网断电，由备用电源系统给负载提供能量，此时参考电压指令值变为750V，大于母线电压，因此DC/DC变流器工作在BOOST模式下，即给直流母线输送能量。在7s时刻，负载电流突变，进入制动回馈工况下。回馈能量升高了母线电压，使其值超过参考电压750V，因此DC/DC变流器重新工作在BUCK模式下，电源吸收回馈能量。

图5-40 外环电压对比图

图5-41 内环电流对比图

在电压相对稳定的情况下，电流的大小在更大程度上决定了输出输入功率的大小。电流环的作用主要在于对DC/DC变流器输出电流进行限制，以此来达到间接限制功率的作用。这也是能量管理系统进行功率分配控制的基础。由图5-41可以看出，除了系统起动时造成的冲击外，输出电流很好地被限制在了参考电流以内（上限和下限之间）。说明DC/DC变流器达到了限制电流的预期目标，只要对参考电流的上下界进行实时调制，便可达到调整DC/DC变流器输入、输出功率的目的。

（3）仿真分析 为测试复合电源系统的功能，进行了包含各种工况的仿真分析。仿真时间共计10s，并使模拟负载突变以测试控制器性能。在仿真的前2.5s内，电网正常运行，在第2.5s时电网断电。设动力电池模块能够输出的最大电流约为120A，能够吸收的最大电流约为40A，而超级电容模块能够吸收和输出的最大电流均为600A。

仿真分析依次分以下阶段：

①在第0s时，系统的功率需求为1kW；(www.xing528.com)

②在第1s时，功率需求突变为40kW；

③在第2s时，功率需求突变为50kW；

④在前2.5s，电网提供全部的电源需求，并给动力电池组和超级电容充电；第2.5s时电网断电，之后全部由动力电池和超级电容共同提供电力供应；

⑤在第5s时，功率需求突变至110kW，超过动力电池组的能力范围；

⑥在第7s时，功率需求突变为-80kW，进入制动能量回收阶段，制动功率超过动力电池组能力；

⑦在第9s时，制动功率降为-30kW，动力电池组能够全部吸收该部分功率。由图5-42的计算结果可知，母线

电压始终保持在750V附近。在第2.5s

时，电网断电，造成母线电压下跌20V

左右。为了补偿母线电压下跌对功率

造成的影响，控制器做出反应令DC/

DC变流器增加输出电流。第2.5s处，

母线电流的上升抵消了母线电压下降

对功率造成的影响，由图5-42可以看

出，实际功率与期望功率时间只有微

小的差距。电网的突然断电，也未给

直流母线的输出功率造成波动。

图5-42 时程曲线、母线期望功率与实际输出功率对比

图5-43中，虚线是动力电池模块的电流限制曲线，它与动力电池模块的功率限制相对应，其上界代表能够输出的最大电流，而下界则代表能够回收的最大电流。实线是动力电池的真实输出电流。由图5-43中可看出，除一些负载突变时引起的波动外，真实输出电流被限制在了电流限制曲线内。

图5-44中的上图，反映了动力电池模块能力与期望能力的对比。在第5～9s内，母线电流的期望超过了动力电池模块的能力限制，因此需要超级电容补偿。下图是超级电容补偿开关，其中，在第5～7s超级电容用来补偿动力电池输出功率，第7～9s来补偿动力电池的吸收功率。

图5-45也能够反映这一点。在前2.5s，由电网来输出功率，可以看出电网输出电流很大，而动力电池和超级电容都工作在充电模式下。第2.5～5s之间，电网断电，但动力电池模块能够提供相应的功率，不需要超级电容来补偿，因此电网电流和超级电容输出电流均为0左右。而在第5～7s之间，动力电池输出能力不能够达到功率需求，超级电容给予了相应的输出补偿，此时，动力电池和超级电容的输出电流均为正值，表明两者均在输出功率。而在第7～9s之间，动力电池吸收功率的能力不足，于是超级电容也给予了相应的补偿。

可以看出，动力电池和超级电容的输出功率均为负值，表明两者均在回收能量。在第9～10s之间，动力电池的吸收能力能够满足回收功率的要求，因此超级电容停止回收能量，可以看出超级电容的输出电流为0。这与图5-44中超级电容补偿开关的值相一致。

图5-46反映了动力电池的状态，上图为动力电池的输出电流，中图为动力电池电压的变化，下图为动力电池SOC变化曲线。

图5-47反映了超级电容的状态，上图为超级电容的输出电流，中图为超级电容电压的变化，下图为超级电容SOE的变化曲线。

图5-43 动力电池输出电流与电流限制

图5-44 超级电容补偿开关

图5-45 电流输出时程曲线

图5-46 动力电池时程曲线

图5-47 超级电容时程曲线